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      LED顯示屏中所用的藍色與綠色芯片解析

      瀏覽次數:395 分類:技術文獻

        LED的工作原理是在正向導通的情況下,注入二極管P/N節區的電子和空穴相遇復合,將電勢能轉換為光能。所發出光子的波長(也就是光的顏色)是由半導體的能帶寬度決定的,通俗地講,半導體能帶寬度越寬,發出的光子能量越大,對應的波長越短,簡單的換算關系是:(nm)。當前藍、綠光LED器件的材料基礎是III族氮化物半導體,也就是GaN為主,InN、AlN為輔的四元AlGaInN合金體系,


        目前,絕大部分藍、綠光LED芯片的量子阱發光層材料是由InxGa1-xN合金和GaN組成的,由于InxGa1-xN合金的能帶寬度隨著InN的比例x變化,可以在3.4eV(對應GaN的能帶寬度)和0.7eV(對應InN的能帶寬度)調整,所以理論上這個材料體系可以覆蓋整個可見光光譜區域。但是,目前的材料制備技術是基于GaN晶體的外延層生長技術,只能生長含InN組份較低的合金材料。InxGa1-xN合金在InN的組份x>15%以后,晶體質量急劇下降。實際上,目前工業界的技術水平通常做到藍光芯片的電光轉換效率大約是綠光的2倍,就是因為前者的InN組份遠小于后者,綠光器件中InN的組份估計已經在30%以上(InGaN合金材料精確組份的測定目前在學術界還是一個疑難科學問題)。也就是說,目前的技術還很難通過繼續增加InN的組份,使得InGaN合金器件能高效率地發出紅光。但值得慶幸的是,早在上個世紀90年代,III族磷化物體系(也通常表述為四元體系,AlGaInP)已經成為紅、黃光LED器件成熟的材料基礎。這兩個材料體系的基本物理特征以及其所含元素在周期表中的位置。


        III族氮化物半導體材料目前工業化制備是通過金屬有機物化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)來實現的。該技術的基本原理是通過在密閉化學反應腔中引入高純度的金屬有機源(MO源)和氨氣(NH3),使其在加熱的襯底基板(一般選擇藍寶石做襯底)上生長出高質量的晶體?;净瘜W反應式是:Ga(CH3)3+NH3→GaN+CH4.通常GaN晶體是六方狀的纖鋅礦結構,基本的物理特性如表2所示。需要特別指出的有兩點:(1)GaN的能帶寬度在常溫300K時,等于3.39eV,是非常難得的寬禁帶半導體材料,如果發光,對應的光子波長應該是,屬于紫外光;(2)GaN的p-型摻雜非常困難,目前可以達到的載流子濃度比n-型摻雜低將近兩個數量級,電阻很大。這個特性對其器件的設計提出了特殊的要求,這一點在隨后介紹LED器件結構時將提到。GaN與它同族的AlN和InN的物理屬性差異非常顯著,表3給出了具體的比對。在晶體生長過程中,GaN晶體的取向和藍寶石襯底的晶面選擇有著密切關系。當前,工業化生長GaN晶體一般都取c-面的藍寶石作為襯底基板,GaN晶體生長與襯底晶體取向會保持一個固定的配位關系(這也就是“外延”的意思)。GaN外延片表面是晶體的六方密排c-面,晶體的生長是沿著c-軸逐層原子堆積而成的,也就是c-軸方向成長。


        GaN基LED外延片的基本結構是在藍寶石襯底上依次生長:(1)GaN結晶層;(2)n-型GaN(實際生產中一般先長一層非故意摻雜的n型GaN);(3)InGaN/GaN多量子阱發光層;(4)p-型GaN.為了獲得高性能的器件,整個外延生長過程的各項參數都要得到優化并且精確控制,其中對發光效率影響最大的結構是InGaN/GaN多量子阱發光層。p和n型材料的摻雜元素通常為Mg和Si,Mg通過替代GaN中的Ga原子(Mg比Ga少一個外圍電子),形成一個空穴載流子,Si通過替代Ga原子,形成一個電子載流子(Si比Ga多一個外圍電子)。一般整個器件的外延層厚度范圍在4~8μm,平均生長速度大約1μm/小時,因此完成一次器件的生長大約需要8小時。


        完成MOCVD外延生長后,需要通過一系列的光罩圖形處理和物理刻蝕或沉積工藝制備GaN基LED芯片。普通藍、綠光LED芯片的基本結構,需要在外延片上依次做如下器件加工:(1)刻蝕局部區域露出n-型GaN導電層;(2)蒸鍍透明導電薄膜NiAu或ITO;(3)蒸鍍焊線電極,包括p電極和n電極;(4)蒸鍍鈍化保護層。芯片加工過程需要嚴格管理質量,避免出現類似焊盤機械黏附力不足、表面異物污染等容易導致器件在封裝使用過程失效的問題。此外,芯片隨后還需要做襯底減薄、物理切割分離、測試、分選,最后獲得光電參數一致的芯片成品。由于GaN基LED芯片襯底藍寶石是絕緣體,芯片通過上表面的兩個+/-電極與金屬焊線連接來導電。相比而言,目前普通GaAs襯底的紅光芯片還是通過導電膠使襯底與支架之間形成導電通道,工藝控制導電膠的物理黏結強度對封裝斷路失效控制就顯得特別重要?!?/P>

        藍、綠光LED芯片光電參數特征


        1、I-V關系曲線


        藍、綠光LED芯片通常在正向加壓2.4V左右時開始導通,工作電流20mA下電壓Vf的范圍一般是3.0~3.4V(對于14×14mil2見方的芯片尺寸,),較高的工作電壓是由GaN半導體的禁帶寬度決定的。


        2.2環境溫度對光電特性的影響


        一顆普通結構14×14mil2綠光LED芯片在不同環境溫度下的特性變化曲線。當環境溫度從20℃上升到80℃時,顯示綠光LED的發光波長發生明顯漂移,從522nm紅移到527nm;顯示發光亮度降低了25%;顯示工作電壓從3.23V降到2.98V。


        隨著環境溫度的升高,發光波長紅移以及工作電壓下降都是由于半導體禁帶寬度縮小導致的。但是,由于GaN體系的材料禁帶寬度大,可以容忍的環境溫度上限比其它材料有非常明顯的優勢。實驗發現,在150℃環境溫度下,GaN基的藍、綠光LED器件還可以發光,只是效率大大降低了。但是,另一方面,對于此類普通結構的芯片,藍光的電光轉換效率在20~30%之間;綠光明顯更低,一般只有10~20%.電能除了少部分轉變成光能外,其它都產生熱,這些熱能對于微小的晶片面積來說是很大的負擔。因此,在芯片封裝使用時,需要特別注意做好芯片的散熱通道設計,從而確保芯片能穩定可靠地工作。


        2、工作電流密度對波長的影響


        普通14×14mil2綠光LED芯片發光波長隨工作電流變化的曲線。隨著電流密度的增大,綠光芯片發光波長從534nm(2mA下測試)藍移到522nm(30mA下測試)。實際上藍光芯片也有類似的藍移趨勢,只是幅度比綠光芯片小,這個特性對設計使用芯片的工作條件非常重要。為了避免顏色隨亮度變化而發生漂移,調節亮度的方式一般選擇改變脈沖寬度,而不是改變電流強度。


        為發光層量子阱工作的基本原理示意圖。電子-空穴復合生成光子的能量決定了發光波長,而光子的能量是由束縛在量子阱的電子-空穴對的勢能決定的。實際上,芯片從2mA增加到30mA電流的過程中,量子阱中電子-空穴對的勢能發生了兩個非常重要的變化:先是屏蔽了量子阱內建電場,使得導帶和價帶距離增大;然后載流子填充效應使得電子-空穴對之間的勢能進一步增大,而增大的電子-空穴對勢能轉變成的光子對應的波長將變短,這一點可以從前述波長和能量的換算關系推得。


        技術發展歷程中的關鍵階段


        1、p-n結GaN二極管關鍵技術突破階段(1970~1993年)


        早在1970年代,美國科學家J.Pankove等人就已經發現GaN是一種良好的寬禁帶半導體發光材料,并且成功制作了能發出藍光的GaN肖特基管。但是,隨后的十幾年里,科學家們的努力研究一直沒能突破制備p-型GaN材料的難關。直到20世紀80年代末期,日本科學家Akasaki和Amano發現,可以先在異質襯底上沉積AlN結晶層,然后能夠實現MOCVD外延生長表面平整的GaN單晶薄膜材料。在此基礎上,他們又發現可以通過電子束激活Mg摻雜的GaN材料中的空穴載流子,實現p-型GaN材料的制備,這是GaN基p-n結發光二極管最為關鍵的基礎技術突破。隨后,GaN基LED技術從研究院所的實驗室走進了工廠。日本Nichia(日亞)公司的科學家Nakamura[15,16]實現了采用GaN結晶層實現高質量的外延層MOCVD生長,很快又發現可以通過熱退火的方式激活Mg摻雜的GaN實現p型導電。作為這一系列突破的成果,1993年Nichia公司成功實現了商業化生產GaN藍光LED.


        2、內量子效率提升階段(1993~2000年


        在成功實現了商業化生產藍光LED后,學術界和產業界對該領域的許多關鍵物理課題投入了極大的研究熱情。核心問題之一就是如何提高藍光LED芯片的InGaN/GaN量子阱內量子效率,也就是如何提高電光轉換效率。許多研究單位和企業的MOCVD設備被用于試驗優化生長條件,提高InGaN量子阱的晶體質量;同時還有很多新的器件結構設計也被嘗試以提高載流子的注入效率和復合效率。在這階段,新的研究發現主要促成了兩大成果:(1)綠光LED的商用化(1995年[17]);(2)藍光LED效率得到了成倍提升。


        3、內、外量子效率同時提升階段(2000年至今)


        在藍、綠光LED性能顯著提高的基礎上,它們得到了大規模的商用化,特別是在移動電話背光源,全彩廣告看板等應用領域?;谏虡I利益的刺激,提高發光效率成了企業間的生死時速競賽,這在中國臺灣地區、韓國以及中國大陸地區顯得尤為激烈。在很多企業短時間無法顯著提高內量子效率的情況下,這些新進入者開始大膽嘗試在出光效率上做文章,也就是提高外量子效率。主要突破點在于:(1)用ITO導電薄膜替代金屬半透過膜NiAu,透過率提高了約25%,也就是亮度提高了25%;(2)通過在外延層表層生長V型坑缺陷,使得表面全反射被打破,從而顯著提升取光效率;(3)通過利用表面粗化的藍寶石襯底片,打破GaN/藍寶石的全反射界面,也實現了顯著提升取光效率的效果。這些方法在引入初期均導致了器件其它光電性能的嚴重犧牲,比如衰減嚴重、易產生漏電、靜電防護能力弱等等。但是,隨著企業研究人員的工程技術進步,各種特性逐步得到改善,同時,對外延材料特性的進一步認識也促進了內量子效率持續的提升。作為結果,在這一階段,藍、綠光LED發光效率都得到了成倍的提升,最新的研究結果表明,藍光LED在優化內、外量子效率的情況下,可以實現50%的電光轉換效率。


        技術發展趨勢展望


        通過外延材料制備技術的提高和器件物理結構設計的優化,藍、綠光LED技術在過去20年里取得了令人矚目的發展。同時,歸功于性能的不斷提升以及成本的快速下降,應用領域和規模也得到了極大的發展。但是,展望未來更富有挑戰性的通用照明新領域,LED技術更進一步的突破是必須的。這一次的突破將更為集中地圍繞如何降低LED的使用成本,關鍵有三個發展方向:(1)降低器件的制造成本;(2)提高器件的電光轉換效率;(3)提高器件的輸入功率?!?/P>

        1、降低器件的制造成本


        LED器件的制造成本相對硅基器件而言還是很高的,這主要是由于該產業的規模以及技術發展程度還遠不及硅基半導體工業。但是,參考成熟半導體行業的發展歷程,我們可以預期LED器件的制造成本將在未來10年有持續下降空間。主要的成本節約貢獻將重點依靠三個部分:(1)核心設備制造技術的進步將成倍提高生產效率,從而顯著降低折舊成本,最為典型的就是GaN外延的MOCVD設備;(2)加工圓片的尺寸成倍提升,從目前主流的2英寸圓片發展到4英寸,將大大降低芯片工藝的加工成本;(3)產業規模的級數擴大將顯著降低消耗原物料的成本和綜合管理成本。綜合這些因素,可以預期未來10年LED芯片的成本將會持續降低,這將進一步刺激LED新興應用領域的發展。


        2、提高器件的電光轉換效率


        LED器件電光轉換效率的提升也將顯著降低最終客戶的使用成本,這里的成本節約體現在兩方面:一方面是單位流明亮度的芯片成本將隨著芯片發光效率的提升而下降;另一方面是電能的節約,比如從能效25%的芯片技術發展到50%的技術,將實現節能一半的效果。而且更有意義的是,節能的效益不僅體現在經濟上,還體現在社會效益上。因此,在轉換效率提升的研究上,將繼續獲得大量商業和政府的研發資源。


        電光轉換效率的提升將沿著前述的兩個方向持續推進:(1)內量子效率的提升;(2)取光效率的提升。內量子效率的提升主要依靠MOCVD外延材料制備技術的進步,通過改善發光層量子阱(MQW)的晶體質量,提高器件的載流子注入效率和復合效率,這方面的提升空間目前已經變得較為有限。相反,取光效率的提升還有很大的開發空間,這方面的主要工作將在于:(1)進一步優化界面粗糙化的工藝,從而提高光從發光層逸出的效率;(2)改善芯片切割工藝,減少透明藍寶石襯底側面亮度吸收損失。


        3、提高器件的輸入功率


        在可以保持器件電光轉換效率不變的前提下,通過提高單位面積芯片的輸入功率,也可以達到降低使用成本的效果。這個努力方向依賴兩方面的技術進步:一方面,需要盡可能降低芯片以及封裝結構的熱阻,這樣可以在一定的器件工作溫度上限內提高輸入功率水平;另一方面,需要改善器件MQW結構設計,使其可以在更高注入載流子密度的條件下保持一定的電光轉換效率。在器件熱阻控制的研究方向,目前LED產品領域還有許多空間可供開發,特別是在低熱阻的焊接固晶技術、高導熱系數的焊接材料以及芯片支架材料方面,都是值得認真研究的。


        結論


        GaN基藍、綠光LED技術過去二十幾年的進步,已經開始在全球開啟了一個嶄新的固態新光源時代,這個技術不但帶來了色彩斑斕、節能環保的新光源,而且正孕育著一個更為廣闊的市場空間–固態通用照明市場。由于該技術巨大的節能效益以及其材料的環保特征,許多戰略研究項目得到了各主要國家的高度關注,同時,也吸引了大批企業投身其中參與產品開發和推廣。有理由相信,在未來10年內,GaN基藍、綠光LED技術的發展必將促成一個欣欣向榮的新型固態照明市場!

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